[发明专利]超导量子比特和超导量子电路

说明书

本发明提供一种超导量子比特，其包括彼此并联的旁路电容、第一约瑟夫森结和多个第二约瑟夫森结的串联阵列，其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。本发明的超导量子比特非线性高、退相干时间长。

技术领域

本发明属于量子计算技术领域，尤其涉及一种超导量子比特和包含该超导量子比特的超导量子电路。

背景技术

量子计算技术是第二次信息革命的明珠。由于量子力学的叠加性和纠缠性，基于量子比特的量子计算机或模拟机能够提供远超经典计算机的计算能力，为解决某些计算难题提供可行的解决方案。基于超导约瑟夫森电路的超导量子电路是目前最有希望、技术成熟度最高的技术方案之一。超导量子电路的基本单元是超导量子比特，一般由电容、电感及约瑟夫森结等无损元件构成，其中约瑟夫森结为电路提供了必要的非线性，使得能级间距不等，从而能够使用其中两个能级(一般是基态和第一激发态)作为准二能级系统来构造量子比特。

目前的超导量子电路中，最为流行的量子比特为Transmon/Xmon，这种量子比特具有结构简单、退相干时间长、易于操控和读出等特点，因而得到广泛的采用，包括Google、IBM等大型科技公司在内的很多研发机构都采用这种技术方案。但Transmon/Xmon也有不足之处，由于增大了比特中的电容，虽然大幅抑制了电荷噪声，但同时也大幅削弱了量子比特的非线性，导致进行操控时容易造成态的泄露，无法提高操控的速度。此外，弱非线性还导致能级密集，当集成的比特数增加时，容易出现频率拥挤问题，不利于大规模的集成。其他具有很高非线性的量子比特，如电荷量子比特(Charge qubit，或Cooper pair box)、磁通量子比特(Flux qubit)等，则退相干时间难以提高。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种超导量子比特，其包括彼此并联的旁路电容、第一约瑟夫森结和多个第二约瑟夫森结的串联阵列，

其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。

根据本发明的超导量子比特，优选地，控制所述第一约瑟夫森结和所述第二约瑟夫森结的结面积的比值以使得所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。

根据本发明的超导量子比特，优选地，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列包括N个相同的第二约瑟夫森结，N为大于等于2的正整数。

根据本发明的超导量子比特，优选地，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感相等。

根据本发明的超导量子比特，优选地，所述旁路电容为共面型电容。

另一方面，本发明还提供了一种超导量子电路，其包括根据本发明的超导量子比特。

根据本发明的超导量子电路，优选地，还包括外磁通施加部件，用于给所述第一约瑟夫森结和所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列构成的环路提供外磁通Φ_ext。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述外磁通其中，Φ₀为单位磁通量子，n为整数。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述外磁通施加部件为电流偏置线或线圈。

根据本发明的超导量子电路，优选地，还包括微波控制线，用于实现对所述超导量子比特的量子态的旋转操作。

与现有技术相比，本发明的超导量子比特具有高非线性和长退相干时间。高非线性意味着可以进行更高速的量子态操控(量子门)以及更低的量子态泄露，而退相干时间是造成量子门出错的主要原因，提高退相干时间意味着更低的门操作错误率。因此，本发明的超导量子比特对未来量子计算发展有重要的应用前景。